宇宙飛行血液診断は、技術革新を必要としています。いくつかのデモは、機内縮小重力の健康診断技術を説明する公開されている。ここでは、コンポーネントと他のセットアップに適応準備戦略とプロトタイプのポイント·オブ·ケアフローサイトメトリー設計のための放物線飛行試験リグの建設と運営のための方法を提示する。
最近まで、宇宙飛行士の血液サンプルは、飛行中収集したスペースシャトルに地球に運ばれ、地上の実験室で分析した。人間は、低地球軌道を越えて移動する場合は、スペースで準備ができて、ポイント·オブ·ケア(POC)テストへの移行が必要である。このようなテストは、総合的な縮小重力環境で実行することが容易で、打ち上げや宇宙飛行のストレスによって影響を受けないことが必要である。無数のPOCデバイスは、実験室規模の対応を模倣するために開発されてきたが、ほとんどは狭い用途を有し、いくつかは、飛行中の、低減された重力環境で実証用途を有する。実際には、減少重力における生物医学診断のデモンストレーションは、コンポーネントの選択や新技術をテストしようとしているときにアプローチするのが難しい特定の物流の課題を作り、完全に制限されています。空虚さを埋める手助けするために、我々はプロトタイプの血液診断装置とそれに関連するPの構成及び動作のためのモジュラー方法を提示している放物線飛行、減重力航空機に搭載飛行テストのための基準を満たしていarabolic飛行試験リグ。方法は、最初に、飛行中の、低減された重力フローサイトメーターのテストとコンパニオンマイクロ流体混合チップ用リグアセンブリに焦点を当てています。コンポーネントは、他のデザインに適応され、そのような微量サンプルローダーとマイクロミキサーのようないくつかのカスタムコンポーネントは、特に重要であり得る。次いで、この方法は、ユーザートレーニング、標準業務手順書(SOP)の開発、およびその他の問題に関連して成功した飛行試験の準備のためのガイドラインや提案を提供することにより、飛行準備にフォーカスをシフトします。最後に、私たちのデモに特有のインフライト実験手順が記載されている。
現在のスペースに対応した健康診断の不足はより深い有人宇宙探査への制限要因を提示します。診断は、総合的な減少重力で使いやすく、そして打ち上げや宇宙飛行( 例えば 、高g力、振動、放射線、温度変化、およびキャビン圧力変化)の応力の影響を比較的受けておく必要があります。ポイントオブケア試験(POCT)の開発は、より小さな患者検体( 例えば 、指穿刺)を使用することにより効果的な宇宙飛行溶液に変換する単純で小さな流体工学( すなわち 、マイクロフルイディクス)、および他の間で、電力要件を低減してもよい利点。 フローサイトメトリー細胞計数およびバイオマーカー定量化だけでなく、大幅な小型化の可能性に向かって含むため、技術の広範な有用性のインスペースPOCの1魅力的なアプローチです。前スペース関連のフローサイトメーターは「核の梱包efficを含むiency無重力「5時のデータフローサイトメトリーのリアルタイムフローの最初の世代の「同時アーク灯誘起蛍光と電子ボリューム(コールターボリューム)測定1-4、代表サイトメーター比較的小さなベンチトップ·フローを利用して(NPE)楽器'、 「サイトメーターsheathlessマイクロ'は4位および5部分の白血球(WBC)差分カウントすることができるが、5μlの全血サンプル6-9を前処理し、そして使用して「光ファイバベースの「最近の国際にオンボードテストフローサイトメーター宇宙ステーション10。
潜在的な宇宙用診断技術の評価は、一般的に無重力の選択されたレベル( 例えば 、無重力、火星重力)11をシミュレートするために、ほぼ放物線飛行軌道を使用し、減重力機内実行されます。フライトの機会が制限されているため、評価が困難である、REPET微小重力のitive短い窓が難しく、通常は20〜40秒よりも長い中断の期間を必要な方法論やプロセスを評価するために作ることができ、およびデモンストレーションを簡単に飛行12-15利用されていない追加の機器を必要とするかもしれない。さらに、 インビトロ診断(IVD)技術の使用、または、減少重力のために設計され、以前のデモは限られており、多くの仕事は未発表のまま。上記のフローサイトメーターに加えて、文献に記載された他の宇宙関連IVD-技術は、自動化された12サイトメータカメラベースの免疫表現型アプリケーション16のための全血染色装置を使用して、統合された電位差、電流測定、及び導電率測定のためのハンドヘルド臨床分析を含む12,17、診断プラットフォーム1 'CDに収録されているラボ「拡散ベースの混合および分離18、および回転に依存している分析物定量のためのマイクロ流体「Tセンサーデバイス'9,20。デバイス評価を可能にしようとする(あるいは何ができるかを考え出す)とき減少し、重力テストの新規参入者はまた、 インビトロ診断薬とは無関係の放物線飛行のデモンストレーションに見えるかもしれません。よく文書飛行準備、飛行中の戦略、飛行試験機器と他の以前の医学的または生物学的実験からのデモンストレーションを、 表1〜15、21-35に含まれています。これらは、飛行中のタスクの、特殊な装置を使用すること、および実験封じ込めマニュアルの包含に有益であり得る。
カテゴリ | 例 |
救急医療 | 気管挿管(喉頭鏡ガイド下、上マニク21)で、心臓の生命維持(麻酔をかけた豚)22 |
外科治療 | 腹腔鏡下手術(ビデオは24,25麻酔したブタに、23をシミュレート) |
メディカルイメージングまたは生理学アセスメント | 下半身負圧室26、ドップラー流量計(ヘッドマウント)27、中心静脈圧モニタ28と、超音波 |
専門的な生物学的な機器 | マイクロプレートリーダー(および飛行中のグローブボックス)29、細胞周期実験30、顕微鏡用温度制御システム(明視野、位相差、及びマルチチャネル蛍光できる)15、キャピラリー電気泳動装置は、ビデオ顕微鏡31に接続された |
他の | 観察のための鉗子32を有する植物収穫、含まれているラット33,34と魚35 |
さて記載されている方法/実験表1.パラボリック飛行実証例
前の例を拡張し、成功した飛行中のデモへのより深い洞察を提供するために、我々は、放物線飛行試験リグの一部として、関連するマイクロ流体混合技術とフローサイトメータープロトタイプの建設と運営のためのモジュールおよび適応手順を提示している。リグは、サンプルローディング、マイクロ流体混合、蛍光粒子検出のデモンストレーションを可能にし、宇宙環境への2010 NASAのファシリテアクセス(FAST)放物線fligオンボードテストされました9月29日から10月1日に流すHTS、2010これらのデモは、それぞれ、指先サイズの血液サンプルを、光を介して、ロードされた希釈または試薬と混合され、そして分析される可能性のあるデバイスのワークフローの初め、中間、最後から引く検出。コンパクトなユニットにフローサイトメーターをスケーリング技術革新と慎重な部品選択が必要です。カスタムおよび既製のコンポーネントは、最終的な部品の選択の最良の初期の近似値として選択され、ここで使用され、他の革新の設計に適応することができる。プロトタイプの部品の選択の概要に続いて、セットアップがリグアセンブリのための骨格としての支持構造上に記載されている。プロトタイプのコンポーネントは、場所が割り当て固定され、成功した実験のために必要な追加の構成要素を伴う。注目はその後、標準的な操作手順(SOP)の開発、トレーニング、および他の物流を含むより抽象的な手続きに移行する。最後に、デモ固有の手順があります記載され。特定のプロトタイプのためにここで実装がここで説明する戦略とリグ成分( 例えば 、顕微鏡、アクリルボックスなど ) をサポートする選択肢は、縮小重力環境内の任意の血液診断装置の試験に関連する一般的な問題や課題に話す。
2010便では、2月の重力(約1/6地球の重力を達成)、最終的に、これらは、3日を越え再スケジュールされたものの2つのマイクロ重力便、4日間全体で予定されていた。デモンストレーションは、修正された民営、ナローボディジェット旅客機36オンボードで行った。各フライトは、それぞれ、高重力減少重力条件の20~25秒続く(約1.8グラム)の約20秒を得30-40放物線を提供した。放物線の半分が実行された後、飛行機は振り向くとPEながら着陸地点に向かって引き返すように飛行機を可能にするために水平飛行で約5〜10分の時間のために一時停止放物線の残りをrforming。
ここで説明する方法は、地上試験に匹敵する結果が得られ、2010 FAST放物線飛行中に主要な技術要素(サンプルローディング、マイクロ流体混合、および光学的検出)の有効デモンストレーションを可能にした。ここで説明するトレーニングとSOPの方法が特に有効であった、とツールを照らすために貢献し、他の「松葉杖」はパラボリックフライトオンボード利用できないでしょう練習のデモ?…
The authors have nothing to disclose.
ハードウェア開発は、NASA SBIR契約のNNX09CA44CとNNX10CA97Cによってサポートされていました。光学ブロックとサンプルローダーデモンストレーションのためのデータ分析は、米航空宇宙局(NASA)の第III相契約NNC11CA04Cによってサポートされていました。ヒトの血液採取は、NASA IRBプロトコール#SA-10から008を用いて行った。ナショナルインスツルメンツの医療機器助成プログラムを通じて提供される制御/集録ソフトウェア。マイクロチップのための金型はジョンズ·ホプキンス大学の微細加工施設、ナノスケールシステムのためのハーバードセンターで行われた。夏は2010年、NASAの飛行映像スタッフの間にラックアセンブリに助けオットーJ. Brinerとルークジャッフェ(DNA医学研究所)は、飛行週の間にビデオ映像を提供した。カルロス·バリエントス(DNA医学研究所)が写真とフィギュアの援助を提供しました。テクノロジー2010プログラムの宇宙環境へのファシリテアクセスに感謝し、米航空宇宙局(NASA)の削減重力オフィス、人間の適応とその対策課、NASAグレンリサーチセンター、ZIN·テクノロジーズと人間の研究プログラム。
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Micro air pump | Smart Products, Inc. | AP-2P02A | Max pressure = 6.76 psi; 1.301” x 0.394” x 0.650” , 0.28 oz (8 g); available direct from Smart Products |
Differential pressure sensor | Honeywell International, Inc. | ASDX015D44R | Range of 0-15psi; 0.974" x 0.550" x 0.440", 0.09 oz (2.565 g); suppliers include Digi-Key and Mouser Electronics |
Rigid plastic vial (small size) | Loritz & Associates, Inc. | 55-05 | Polystyrene; ID 0.81" (20.6 mm), IH 2.06" (52.4 mm); available direct from LA Container Inc.; similar product available from Dynalab Corp. |
Rigid plastic vial (larger size) | Loritz & Associates, Inc. | 55-140 | Polystyrene; ID 1.88" (47.6 mm), IH 3.31" (84.1 mm); available direct from LA Container Inc.; similar product available from Dynalab Corp. |
latex examination gloves | dynarex corporation | 2337 | Middle finger used for latex diaphragm in fluid source vial. Other brands (e.g., Aurelia ® Vibrant ™) acceptable. |
Optical glue | Norland Products | NOA 88 | Low outgassing adhesive; available direct from Norland; Also available from Edmund Optics Inc. |
3-way solenoid valves | The LEE Company | LHDA0531115H | Gas valves, but can function with liquid; 1.29 " L, 0.28 " D. Discontinued product. Similar products available from The LEE Company. |
Volumetric water flowmeter | OMEGA Engineering inc. | FLR-1602A | Non-contacting flow rate meter strongly preferred. We recommend SENSIRION LG16 OEM Liquid Flow Sensor for flow rates from nl/min up to 5 ml/min. |
PCD-mini photon detector | Sensl | PCDMini-00100 | For fluorescence detection; available direct from Sensl |
Accelerometer | Crossbow Technology, Inc. | CXL02LF3 | 3-demensional force detection. Supplied to DMI by NASA. Similar product available from Vernier Software & Technology, LLC. |
Stereomicroscope | AmScope | SE305R-AZ-E | |
CCD Camera | Thorlabs | DCU223C | 1024 x 768 Resolution, Color, USB 2.0; available direct from Thorlabs |
USB and Trigger Cable (In/Out) for CCD Camera | Thorlabs | CAB-DCU-T1 | Available direct from Thorlabs |
Microbore tubing | Saint-Gobain Corporation | AAD04103 | Tygon®; ID 0.02", OD 0.06", 500ft, 0.02" wall. Suppliers: VWR, Thermo Fisher Scientific Inc. |
Hollow steel pins | New England Small Tube | (Custom) | 0.025" OD, 0.017" ID, 0.500” L, stainless steel tube, type 304, cut, deburred, passivated; enable microbore tubing connections, chip tubing connections |
Slide clamp | World Precision Instruments, Inc. | 14042 | Available direct from World Precision Instruments |
Leur adaptor pieces | World Precision Instruments, Inc. | 14011 | Available direct from World Precision Instruments |
Silicon wafer | Addison Engineering, Inc. | 6" diameter; for SU-8 mold fabrication | |
Polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer base | Dow Corning | 3097366-1004 | Supplier: Global Industrial SLP, LLC |
Polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer curing agent | Dow Corning | 3097358-1004 | Supplier: Global Industrial SLP, LLC |
Needle (23 gauge), bevel tip | Terumo Medical Corporation | NN-2338R | Ultra thin wall; 23G x 1.5"; 22G also usable; suppliers: Careforde, Inc., Port City Medical |
Dispensing needle (23 gauge), blunt tip | CML Supply | 901-23-100 | 23Gx 1"; available from CML Supply |
Rotary tool | Robert Bosch Tool Corporation | 1100-01 | Dremel® 1100-01 Stylus™ |
Cover glass | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 12-518-105E | Gold Seal™ noncorrosive borosilicate glass; for PDMS chip cover; 24×60 mm; available from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
Vacuum pump | Mountain | MTN8407 | For degassing PDMS; supplier: Ryder System, Inc. |
Vacuum chamber | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 5311-0250 | Nalgene™ Transparent Polycarbonate; available from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
Plasma cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | |
Hand magnifier | Mitutoyo | 183-131 | Use in reverse direction to enable viewing at ~15". |
Ethanol | CAROLINA | 861283 | For chip cleaning. Dilute to 70% using millipore water. |
Water purification system | Thermo Fisher Scientific, Inc. | D11901 | Available direct from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
Optomechanical translation mounts | Thorlabs | K6X | 6-Axis Kinematic Optic Mount; discontinued product; new product (K6XS) available direct from Thorlabs |
Laptop | Hewlett-Packard | VP209AV | HP Pavilion Laptop running Windows 7 |
Laptop tray (spring loaded) | National Products, INC. | RAM-234-3 | RAM Tough-Tray™. Can accommodate 10 to 16 inch wide laptops. |
USB splitter | Connectland Technology Limited | 3401167 | |
USB Data Acquisition Cards (8 analog input, 12 digital I/O) | National Instruments | NI USB-6008 | 12-Bit, 10 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ |
USB Data Acquisition Cards (16 analog input, 32 digital I/O) | National Instruments | NI USB-6216 | 16-Bit, 400 kS/s Isolated M Series MIO DAQ, Bus-Powered |
Control/acquisition Software | National Instruments | LabVIEW 2009 | Custom coded National Instruments (NI) LabVIEW |
3D Solid Modeling Software | Dassault Systèmes SolidWorks Corp. | SolidWorks 2011 | |
2D Modeling Software | AUTODESK | AutoCAD LT 2008 | |
Vertical equipment rack | (NASA provided) | N/A | |
Solid aluminum optical breadboard | Thorlabs | MB2424 | 24" x 24" x 1/2", 1/4"-20 Taps; available direct from Thorlabs |
Industrial grade steel and hardener | The J-B Weld Company | J-B Weld Steel Reinforced Epoxy Glue | |
Micro-hematocrit capillary | Fisher Scientific | 22-362-574 | inner diamter 1.1 to 1.2 mm |
1 mL syringes | Henke-Sass, Wolf | 4010.200V0 | NORM-JECT®; supplier: Grainger, Inc. |
Human red blood cells | Innovative Research | IPLA-WB3 | Tested and found negative by supplier for: HBsAg, HCV, HIV-1, HIV-2, HIV-1Ag or HIV 1-NAT, ALT, and syphilis by FDA-Approved Methods. Because no test methods can guarantee with 100% certainty the absence of an infectious agent, human derived products should be handled as suggested in the U.S. Department of Health and Human Services Manual on BIOSAFETY IN MICROBIOLOGICAL AND BIOMEDICAL LABORATORIES, FOR POTENTIALLY INFECTIOUS HUMAN SERUM OR BLOOD SPECIMENS |
Phosphate buffered saline concentrate | P5493 | SIGMA | 10x; diluted to 1x |
Tween | P9416 | SIGMA | TWEEN® 20 |
Centrifuge | LW Scientific | STRAIGHT8-5K | Swing-Out 8-place Centrifuge. Available through authorized dealers. Other centrifuges available direct from LW Scientific. |
HD video recorder | Sony | MHS-CM5 | |
Orange fluorescent nucleic acid stain | Invitrogen | S-11364 | SYTO® 83 Orange Fluorescent Nucleic Acid Stain. Stored in DMSO solvent. Always wear reccommended Personal Protective Equipment. No special handling advice required. |
Fluorescent counting beads | Invitrogen | MP 36950 | CountBright™ Absolute Counting Beads. Always wear reccommended Personal Protective Equipment. No special handling advice required. |